中国水-能源纽带关系双向消耗核算研究

曾 萌，张园园，王红瑞，杨亚锋,3，洪思扬，赵 勇

(1.北京师范大学水科学研究院，北京 100875; 2.北京师范大学水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京 100875；3.华北理工大学理学院，河北 唐山 063210；4.广东省农业科学院农业经济与信息研究所，广东 广州 510640；5.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048)

水和能源是人类生存和发展过程中不可或缺的两类重要资源，前者作为基础性自然资源，对人类的生存起着基本保障作用；后者作为关键的战略资源，对国家安全及地区经济发展至关重要。随着社会经济的不断发展、全球气候变化引起的极端事件的频繁发生和人口的持续增加，对于水与能源的需求加剧[1-3]，水资源短缺和能源过度使用所产生的生态环境问题将成为阻碍未来社会发展的瓶颈。如何对水与能源合理配置，提高其利用效率，成为当下的热点话题。2014年世界水日的宣传主题被确定为“水与能源”，反映出水与能源问题已经引发全球的关注[4]，因此，研究水-能源纽带关系及其双向消耗核算具有重要的意义。

水与能源的相关性由Gleick[5]于1994年首次提出，由此开展了一系列水-能源纽带关系的研究，主要包括经济关联与物理关联两个方面。前者指能源与水资源价格波动的相互影响；后者指能源开发利用中水资源消耗以及水资源开发利用中能源消耗的关系[6-7]。在经济关联方面，Dale等[8]于2008年分析了加利福尼亚水资源和能源系统之间的联系，提出了气候变化对水资源和能源价格的影响，并评估了能源价格变化对水资源系统的影响；Maas等[9]于2019年定量分析了家庭用水和用电的交叉价格弹性，结果表明，如果将城市水价提高10%，美国西南地区的总用电量每年将减少大约130万MW。在物理关联方面，Mielke等[10]于2010年较全面地总结了原煤、原油、天然气及生物质能、太阳能、风能、地热能、水力等可再生能源在开采、加工、转换等一系列过程中的耗水量，具有代表性意义；2019年，Nouri等[11]在总结了煤炭、天然气、水能、核能、风能、生物质能以及太阳能等不同发电方式用水强度的基础上，以美国加利福尼亚为例，根据不同发电技术的耗水强度数据建立数值模型，确定各种发电方案的取水量和耗水量及最优发电技术组合方式，从而使用水量降至最低。

对于能源开发过程中的水资源消耗研究，学者多采用定量分析法和综合评价法。Wang等[12]通过建立多地区投入产出模型，构建中国水-能源的复杂网络体系，模拟了不同能源组合情景下水资源的消耗情况；Li等[13]研究了NDC(nationally determined contribution)和WBD2(well below 2 degrees)目标下用水约束对能源基地发展带来的影响，在WBD2模拟情景下预估2050年中国能源耗水量将达到98亿m3；Li等[14]基于投入产出法，从生产和消费两个维度分析了京津冀地区水-能源的纽带关系，研究结果表明，北京、天津和唐山的能源生产和消费耗水量均为最大。对于水资源开发利用中的能源消耗研究，杨敏等[15]将比能耗分析法与单元能耗分析法相结合，对污水厂不同处理工艺的能耗值进行了对比分析，结果表明，改进的脉冲曝气法具备显著的节能效果，能耗降幅可达42.4%；Wang等[16]对农用地下水的能耗值进行了评估，发现陕西省的能耗值最大，为0.64 kWh/m3，河南省的能耗值最低，为0.30 kWh/m3；高津京[17]的研究表明，获取再生水等新型水源的耗电量远高于传统水源的耗电量，若保持现阶段的用水趋势不变，水资源开发利用的耗电量将逐年上升，至2050年耗电量将在原来的基础上增加60%。

当下对于水-能源关系的研究多从能源耗水或水耗能源单向角度进行分析探讨，不能很好地反映出二者之间的纽带关系。基于此，本文从能源开发利用中的水资源消耗和水资源开发利用中的能源消耗两个角度进行双向消耗核算，探究水-能源的纽带关系，可为水-能源的协同发展与安全保障提供借鉴与参考。

1 中国水资源与能源概况

中国每年可更新的淡水资源量约为2.81万亿m3，占世界第5位，仅次于巴西、俄罗斯、加拿大和印度尼西亚，但是人均淡水占有水平却很低，约为世界平均水平的34%[18]。在平水年，中国逾660座城市中，近400个城市面临供水不足，110个城市严重缺水，人口超过100万的32个大型城市中，30个城市的用水需求无法得到满足。就目前的供水能力而言，中国每年供水缺口约为300 亿～400亿m3，在干旱年份供需矛盾更大。水质方面，由于中国在工业化发展前期和中期一直采用粗放型的发展模式，使水资源遭受严重污染。截至2016年，中国废污水排放总量为765亿t，仍处于较高水平，且中国废水处理比例增长较慢，水环境污染使得本已紧张的用水形势更加严峻。

改革开放以来，中国经济一直保持快速增长的趋势，在这一过程中，能源起到了重要的支撑作用，同时也带来能源消费需求的不断扩大。根据《中国能源统计年鉴2016》[19]统计结果，中国2016年能源消费总量为43.6亿万t标准煤，相较于1978年增加了665%，占世界能源消费总量的23%。基于中国经济发展进入新时代的现状, 从新一轮产业变革的发展势头来看，未来一段时间内中国能源消费的需求还将进一步增长，到2050年世界占比可能高达60%[19]。长期以来，中国能源发展面临结构不合理的状况，以煤炭、石油、天然气等一次能源为主导[20]，2016年这3种能源消费总量占比达到87.2%，远远高于世界平均水平。一方面，这些能源作为天然能源，在自然界中的储量是有限的，无法满足持续增长的人口以及经济发展的需求；另一方面，这些能源作为化石能源，在燃烧的过程中会产生大量的大气污染物，导致中国生态环境恶化，空气污染红色预警持续增加。为缓解能源危机，近些年来中国一直在强调发展可再生能源，但是依赖于化石能源的消费模式在短时间内不会发生明显改变。开发可再生能源，推广可再生能源利用技术，提高可再生能源利用量和消费比重是中国能源结构调整的重要内容。

2 中国水-能源双向消耗核算

近年来，中国经济平稳迅速增长，对世界经济增长的贡献率步步攀升，但是经济的迅猛发展往往伴随自然资源的过度消耗，水资源短缺与能源的过度消耗已成为地区经济发展的主要障碍。因此，计算中国能源生产过程中的水耗以及水资源利用过程中的能耗，厘清水-能源纽带关系，具有重要的现实意义[21-23]。由于资料的有限性以及能源与水资源的多样性，本文采用定额法估算全国主要能源产业生产现状总用水量与水资源利用的总耗能量。

人类社会生活和生产中的4类主要能源为原煤、原油、天然气、火力发电，在对能源开采使用的过程中，几乎都离不开水资源的消耗。本文在搜集全国能源生产数据的基础上，结合行业用水定额，采用定额法对4类能源生产过程中的水耗进行核算，除此之外，太阳能发电、水力发电也在本文核算的范围内。对于水资源利用中的能源消耗量，根据各类水资源的特点，结合其开采和利用的过程及数据的完整性，主要核算地下水开采、地表水利用、供水及污水处理回用的能源消耗。

2.1 主要能源生产耗水量计算

能源产业用水量指的是在能源生产过程中直接消耗的水资源。原煤的水耗包括开采和洗选两部分；原油和天然气的水耗主要由开采和加工产生；火力发电的水耗是机组冷却所用的水资源，根据是否循环使用，分为循环冷却水和直流冷却水，不同形式下的耗水量有较大差异。北方地区由于水资源较为短缺，为缓解水资源供需矛盾，火力发电基本上采用循环冷却；南方地区由于水量丰富，大多采用直流冷却。但总体而言，我国大部分火力发电厂仍采用循环冷却的供水方式，因此，在计算火力发电过程中的耗水量时，均采用循环冷却方式的单位发电量用水量。太阳能发电的耗水主要指清洁和冷却所消耗的水资源；水力发电本身并不耗水，其水耗主要来源于发电过程中的蒸发和水库下渗[21]。考虑到水资源禀赋、生产工艺、政策等方面的影响，不同区域间的单位能源生产耗水量有较大差异，因此，以我国除西藏和港澳台以外的30个省级行政区(以下简称省区)作为基础单元，结合各省区行业用水定额(表1)以及《中国能源统计年鉴2016》中统计的能源生产量，核算能源耗水量。

表1 各地区能源生产用水定额 单位：m3/t

定额法计算公式为

Wi=Eiqi

(1)

式中：Wi为第i类能源生产的耗水总量，m3；Ei为第i类能源的生产量，t；qi为第i类能源生产用水定额，m3/t。

部分省区采煤、洗煤或原油开采和加工用水定额统计数据缺失，主要是由于该地区煤炭或石油的生产量较少，未将其纳入用水定额统计中。统计时发现，能源产量与用水定额存在一定的相关关系，总体来说，产量高的地区用水定额相对较低，所以计算时采用煤炭或原油产量相近地区的用水定额值。根据部分地区已有的天然气开采用水定额数据，计算天然气开采用水量时，缺失数据的地区采用天然气开采用水定额均值进行核算，均选用2.86 m3/t的定额值。除火力发电外，水能、太阳能等自然能源发电耗水都包括在本文核算内，定额数值采用Davies等[24-25]的成果，计算结果如图1所示。

由图1可知，在6类能源中，火力发电耗水量最大，水力发电次之，其次分别为原煤、原油、天然气，太阳能生产耗水量最小。从空间分布上看，原煤生产与火力发电的耗水量区域分布特征较为相似，主要是由于大多火力发电厂以煤炭作为一次能源产生热能，所以煤炭主产区，如内蒙古、新疆等地，火力发电量较大，相应的耗水量也比较大。虽然陕西煤炭生产量高，但大部分煤炭调往外省，火力发电量不高；广东和江苏虽然本地煤炭产量低，但为煤炭调入大省，所以这些省份原煤生产与火力发电耗水量空间分布不匹配。原油和天然气生产耗水量分布与能源分布差别较大，原油生产耗水量较大的地区主要为东北、西北地区以及山东、山西等省，天然气生产耗水量较大的地区则主要为中西部地区，这是因为不同地区原油和天然气用水定额相差不大，因此耗水总量主要由能源生产量决定。太阳能发电耗水量较大的地区多分布在内蒙古、新疆等西北地区，主要是因为西北地区日照充足，太阳辐射较强[26]，太阳能发电量大；水力发电耗水量分布则与水资源空间分布特征较为吻合，南方地区水资源充沛，水电站数量也较北方地区多，水力发电耗水量也呈现出南多北少的特点。将以上6类能源耗水量相加，得出2016年中国主要能源产业耗水量约为190亿m3。除了以上6类能源外，由于风能发电、核能发电耗水量少，且数据不全面，因此此次核算未包括在内；生物质能等可再生能源生产耗水量也比较大，但由于缺少统计数据，所以未计算该部分耗水量。

(a)原煤

2.2 水资源利用能耗计算

水资源利用中的能耗计算应考虑取水和供水两部分内容，具体来说，包括地下水抽取，地表水的蓄水、引水、提水、调水过程，污水处理回用，自来水厂通过输水管道向用户供水等环节。由于计算时涉及环节较多，所需数据量大且难以获取，本研究通过查阅相关文献、统计年鉴等确定各环节的单位能耗值，计算结果较为粗略。

2.2.1地下水抽取

地下水抽取耗能量取决于地下水埋深、水泵效率、抽取量等因素。Rothausen等[27]根据研究得出，当泵的工作效率达到100%时，将1 m3的水提升1 m需消耗0.002 73 kW·h电能。Wang等[16]根据上述研究成果，在考虑水泵效率和用水效率的基础上，提出地下水抽取的能耗计算公式：

(2)

式中：EG为地下水抽取总耗能量，kW·h；V1为抽水量，m3；h1为抽水扬程，m；η1为抽水设备的效率；L为输电损耗(仅在电力设备计算时考虑)。

地下水抽取主要有以电动机、柴油机为动力机械带动水泵抽取和人工抽取3种方式，因此在计算时应从地下水抽取量中剔除人工取水量。以省区作为基础单元，根据《全国第一次水利普查公报》获取各省区人力井取水量，并假设2016年该值不变。在已有研究[28]基础上，设机电井和柴油泵抽水量占比分别为24%和76%，水泵效率分别为40%和15%。根据《2016中国电力年鉴》，估计电网系统的输电损耗为7%。

通过查阅地下水动态公报，获取松辽平原、黄淮海平原、山西省及西北地区盆地和平原、江汉平原的地下水平均埋深值，共涉及18个省区，在计算这些地区的地下水抽取能耗时，地下水埋深采用平均值。其他省区地下水位数据通过《中国地质环境监测地下水位年鉴》获取，对分布在各省区的国家级地下水监测点利用ArcGIS进行空间插值，统计各地区的地下水平均埋深。各省区地下水利用量数据从2016年水资源公报中获取，如表2所示。依据式(2)计算出地下水取水能耗为27.89 TW·h。

表2 各省区地下水埋深与利用量

2.2.2地表水利用

在供水方面，地表水的蓄水过程是指利用水库或蓄水池储存水资源，引水则是指将水资源从蓄水处引入城市供水工程处，大多是利用重力势能从地势高的地区引到地势低的地区，因此，这两个环节能耗较小，可忽略不计。取水主要是利用水泵、水车等动力设备将水资源从河道、湖泊等地势低的地区提取到地势高的地区，能耗较大，采用以下公式[29]计算：

(3)

式中：ET为地表水提水总耗能，kW·h；ρ为水的密度，kg/m3；V2为取水量，m3；h2为取水设备扬程，m；g为重力加速度，m/s2；η2为提水设备的效率，一般取0.75。

取水设备的扬程可近似为河床和地面的高程差，可根据各省区的地势条件取值，平原地区一般取5 m，山区的取水高程远远大于平原地区，取平均值为20 m。根据式(3)计算出地表水取水能耗为35.66 TW·h。

调水工程是指跨越水资源一级区或独立流域的供水工程，中国的调水工程主要包括南水北调、引滦入津、引黄济青、引江济太、东深引水等工程。根据以往研究成果，中国单位长度(每km)调水工程的单位输水能耗为0.004 5 kW·h/m3，结合中国重点调水工程的调水量及输水长度等信息，最终计算出调水工程总能耗为27.59 TW·h。

2.2.3供水

供水过程包括两部分：处理和输配。由于各地区是以自来水厂为单位进行供水，原则上应获取各自来水厂的年耗电量，但是全国有3 000多座自来水处理设施，数据量太大，难以获取。因此，统计京津冀地区的北京市自来水集团、北京市石景山区自来水公司等12个规模较大的水厂用电情况与年供水量，将其耗电量平均值作为全国单位制水和输配水耗电量综合定额，平均值为0.374 kW·h/m3。考虑到自来水厂提供的自来水主要用于居民的生活，由此估算2016年中国常规水供水能耗总量为30.73 TW·h。

据国家海洋局公布的数据，截至2016年底，全国应用反渗透技术的工程111个，产水规模792 615 t/d，单位体积海水淡化耗电量为2.3～6.8 kW·h/m3；应用低温多效技术的工程16个，产水规模369 150 t/d，单位体积海水淡化耗电量为2.5～9.0 kW·h/m3；应用多级闪蒸技术的工程1个，产水规模6 000 t/d，单位体积海水淡化耗电量为2.5～4.4 kW·h/m3；应用电渗析技术的工程2个，产水规模300 t/d，单位体积海水淡化耗电量为16.0～20.0 kW·h/m3[30]。最终计算得出中国2016年海水淡化能耗总量为1.01 TW·h。

2.2.4污水处理回用

Xie等[31]对中国2009年1 856个污水处理厂的能耗状况进行了统计，并对污水处理厂的规模及运行效率对能耗的影响进行了分析。结果表明，污水处理厂的平均能耗为0.254 kW·h/m3，且能耗随处理规模及运行负载率的提高而降低。而再生水回用与污水处理相比，能耗更大。参考世界资源研究所发布的报告[32]，单位再生水回用能耗值为0.82 kW·h/m3。通过查阅2016年《水资源管理年报》获取全国污水处理量及再生水回用量分别为485.28亿m3和82.48亿m3，其对应的总能耗分别为12.33 TW·h和6.76 TW·h。

3 结 论

a.中国6类主要能源生产的耗水情况为火力发电耗水量最大，水力发电次之，其后分别为原煤、原油、天然气生产，太阳能发电耗水量最小，2016年中国主要能源生产过程中耗水量约为190亿m3，约占当年全国用水总量的3.14%。

b.将水资源划分为地表水、地下水、调水工程供水、海水淡化和再生水回用等类别，核算出2016年中国水资源利用过程中的能耗约为142 TW·h，其中地表水取水总能耗最大，非常规水源利用总能耗较小。

c.核算中国能源生产过程中耗水量时涵盖的能源种类需更加全面。除了以上6类能源外，生物质能等可再生能源生产耗水量也比较大，未来随着此类数据的补充和更新，核算方法应不断细化和完善，从而得到更准确、全面的核算结果。

d.采用定额法对中国能源生产过程中耗水量和水资源利用过程中能耗的核算结果可为水资源和能源的合理配置提供参考。